Handbuch der praktischen Elektronik

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1 Herbert Bernstein Handbuch der praktischen Elektronik BAND 1 Das Universalwerkzeug zum praxisnahen Einstieg in die Elektronik per Simulation am PC

2 Bibliografische Information Der Deutschen Bibliothek Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie: detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http//dnb.ddb.de abrufbar 2003 Franzis Verlag GmbH, Poing Alle Rechte vorbehalten, auch die der fotomechanischen Wiedergabe und der Speicherung in elektronischen Medien. Die meisten Produktbezeichnungen von Hard- und Software sowie Firmennamen und Firmenlogos, die in diesem Werk genannt werden, sind in der Regel gleichzeitig auch eingetragene Warenzeichen und sollten als solche betrachtet werden. Der Verlag folgt bei den Produktbezeichnungen im wesentlichen den Schreibweisen der Hersteller. Satz: Photosatz Pfeifer, Gräfelfing Druck: Bercker, Kevelaer Printed in Germany ISBN

3 V Vorwort zum Band 1 Die analoge, digitale und gemischte Schaltungssimulation gehört zu den wichtigsten und jüngsten Gebieten, mit denen sich der Elektroniker erst seit 1990 beschäftigen kann. Während dieser sehr kurzen Zeit wurden die mathematischen Grundlagen in Verbindung mit den Anforderungen aus den Grundlagen der Elektrotechnik bzw. Elektronik immer präziser erfaßt und stellt heute kein kompliziertes Gebilde mehr dar. Die beiden Bände sind eine Auswahl meiner langjährigen Lehrerfahrung am Elektronik-Zentrum München, Haus Metallischer Handwerke, Technikerschule in München, bei der Telekom und Eisenbahnerfachschule. Die Simulationssoftware»Electronics Workbench«wurde 1989 speziell nach den technischen und ergonomischen Anforderungen des Kultusministeriums in Ontario/ Canada entwickelt. Die Zeichnungen fertigte meine Frau Brigitte an, die auch das Manuskript vor dem Lektorat in lesbare Form brachte. Der Autor wünscht viel Spaß und guten Erfolg allen, die sich in die Thematik der analogen Simulation einarbeiten wollen und müssen. Für Anregungen und Verbesserungsvorschläge bin ich immer dankbar.

4 VI Inhalt Inhalt - Teil I 1 Einführung in die Simulation PC-unterstützte Elektronikentwicklung Simulation und Modellierung Mathematische Modelle Berechnungsverfahren zur Schaltkreissimulation Modifizierte Knotenformulierung Tableau-Formulierung Gaußscher Algorithmus Sparse-Matrix-Technik Makro-Konzepte Partieller Vertauschungsalgorithmus Iterationsschritte während einer Simulation Simulation elektronischer Bauelemente Passive Bauelemente für die Simulation Simulation von Kondensatoren und Spulen Integrationsverfahren Nichtlinearitäten in der Simulation Analyse-Verfahren Grenzwert-Analyse Parameterextraktion Arbeiten mit Electronics Workbench Konstruktion einer einfachen Schaltung Verbindungslinien Verbindungspunkt (Knotenpunkt) Spannung, Strom und Widerstand Spannung Simulierte Quellen Gesteuerte Spannungs- und Stromquellen Funktionsgenerator Oszilloskop Simuliertes Oszilloskop Meßanordnung und einfache Meßübungen Widerstände Leiterwerkstoffe Eigenschaften von Widerständen Bauarten von Widerständen Aufbau einer simulierten Schaltung Reihenschaltung von Widerständen Parallelschaltung von Widerständen Gemischte Schaltungen Potentiometer und Einsteller Spannungsteiler... 91

5 Inhalt VII Brückenschaltung Ohmsches Gesetz Vorwiderstand Kenngrößen von Spannungsquellen Spannungs-, Strom- und Leistungsanpassung Kirchhoffscher Satz (Knotenpunktregel) Kirchhoffscher Satz (Maschenregel) Reihen- und Parallelschaltung von Spannungsquellen Meßschaltungen Meßbereichserweiterung bei Spannungsmessern Meßbereichserweiterung bei Strommessern Widerstandsmessung Messungen an Spannungsteilern Dezibel-Messung Messungen von Spannungsfällen an Leitungen Messung von Gleich- und Wechselspannung Oszillografische Spannungs- und Frequenzmessung Frequenzmessung mit Lissajous-Figuren Strom-Spannung-Kennlinie Kondensator Physikalische Grundlagen Elektrisches Feld Kondensatoren an Gleichspannung Aufbau von Festkondensatoren Aufbau von Kunststoffkondensatoren Elektrolytkondensatoren Veränderbare Kondensatoren Kondensator an Rechteckspannung Vorgänge am RC-Glied RC-Glied an symmetrischer Rechteckspannung Integrierglied an unsymmetrischer Rechteckspannung Differenzierglied Nadelimpulsgenerator KO-Tastkopf mit frequenzkompensiertem Spannungsteiler Kondensator an Wechselspannung Kapazitätsmessung durch Strom und Spannung Kapazitätsmessung durch Spannungsvergleich Parallelschaltung von Kondensatoren Reihenschaltung von Kondensatoren Kapazitive Blindleistung Wirkleistung und Phasenverschiebung Phasenmessung mittels Lissajous-Figur Reihenschaltung von Kondensator und Widerstand Parallelschaltung von Kondensator und Widerstand Filterschaltungen mit Widerständen und Kondensatoren RC-Tiefpaß Arbeiten mit dem Bode-Plotter RC-Hochpaß

6 VIII Inhalt 4 Spulen, Transformatoren, Relais und Lautsprecher Physikalische Grundlagen Magnetischer Fluß und magnetische Feldstärke Magnetische Feldstärke und magnetische Flußdichte Hysterese Permeabilität Magnetische Kernformgrößen Definitionsgrößen im Kleinsignalbereich Bestimmungsgrößen im Leistungsbereich Einfluß der Temperatur Desakkomodation Magnetischer Widerstand Kräfte und Energie im Magnetfeld Aufbau und Wirkungsweise von Spulen Luftspulen Spulen mit magnetisierbarem Kern Blechkerne Ferritkerne Ferritkerne mit und ohne Luftspalt Kerne für Filteranwendungen Realisierung einer Spule für eine Leiterplatte Verarbeitungshinweise PM-Kerne P-Kerne E-Kerne Spule an Gleichstrom Messung einer idealen Spule Spule an Rechteckspannung Reihenschaltung von Spulen Parallelschaltung von Spulen Spule im Wechselstromkreis Messung einer idealen Spule Messung einer realen Spule Reihenschaltung von Widerstand und Spule Phasenverschiebung Parallelschaltung von Widerstand und Spule Filterschaltungen mit Widerstand und Spule RL-Tiefpaß RL-Hochpaß Transformatoren und Übertrager Funktionsweise Kleintransformatoren Simulation eines idealen Transformators Berechnung eines Transformators Innenwiderstand eines Transformators Kopplung mit Übertragern und Transformatoren Relais Aufbau eines Relais Simuliertes Relais Lautsprecher

7 Inhalt IX Aufbau eines Lautsprechers Simulation eines Lautsprechers Zusammengesetzte Wechselstromkreise Reihen- und Parallelschaltung von Widerstand, Kondensator und Spule Reihenschaltung von R, C und L Simulation einer RCL-Reihenschaltung Parallelschaltung von R, C und L Simulation einer RCL-Parallelschaltung Leistung im Wechselstromkreis Kompensationsschaltung für den Einphasenbetrieb Schwingkreise Simulation eines idealen Reihenschwingkreises Simulation eines idealen Parallelschwingkreises Realer Schwingkreis Güte und Bandbreite Simulation realer Widerstände Simulation eines realen Kondensators Simulation einer realen Spule Filterschaltungen CL-Bandpaß CL-Bandsperre Kritische Bandfilter Einfache LC- und CL-Glieder T- und š-filter m-filter Phasenschieber RC-Tiefpaß-Phasenkette RC-Hochpaß-Phasenkette RC-Bandpaß RC-Bandsperre Phasenschieberbrücke Bandfilter Induktive Kopplung Kapazitive Kopfpunktkopplung Kapazitive Fußpunktkopplung Arbeiten mit Elektronik Workbench Bauteilbibliotheken Spannungs- und Stromquellen Meßinstrumente Eigenschaften der Bauelemente Oszilloskop und Durchführen einer Analyse Konvergenzprobleme und Analysefehler Simulation und Analyse Analysemethoden mittels Oszilloskop AC-Frequenzanalyse Transientenanalyse Fourier-Analyse Monte-Carlo-Analyse Sachverzeichnis

8 X Inhalt - Teil II 1 Halbleiterphysik und Dioden Grundlagen der Halbleitertechnik Eigenschaften von Halbleitermaterial Leitungsvorgänge in Halbleitern Leitungssysteme innerhalb eines Halbleiters Störstellenleitung innerhalb eines Halbleiters Stromfluß in einem Halbleiter pn-zone Parameter der wichtigsten Halbleiter Aufbau von Dioden Raumladung und Raumladeschicht pn-übergang unter verschiedenen äußeren Bedingungen pn-übergang in Sperrichtung pn-übergang in Durchlaßrichtung Kennlinien von Dioden Farbkennzeichnung von Kleinsignaldioden nach JEDEC und Pro-Electron Montage- und Lötvorschriften Wärmeableitung Untersuchung von Dioden Statische Aufnahme der Kennlinie Statischer und dynamischer Innenwiderstand Dynamische Aufnahme der Kennlinie Aufbau von Datenblättern Begriffserklärungen zu Dioden Simulation von Dioden Simulation einer idealen Diode Parameter einer idealen Diode Simulation einer realen Diode Parameter einer realen Diode Z-Dioden Statische Kennlinienaufnahme einer Z-Diode Dynamische Kennlinienaufnahme von Z-Dioden Leuchtdioden Wirkungsweise von Leuchtdioden Aufbau von Leuchtdioden Simulation von Leuchtdioden Kapazitätsdioden Wirkungsweise von Kapazitätsdioden Frequenzabstimmung mit Kapazitätsdiode Praktische Anwendungen von Dioden Diode als Gleichrichter Einweggleichrichtung

9 Inhalt XI Leistungshalbierung durch Einweggleichrichtung Zweiweggleichrichtung Brückengleichrichtung Drehstrom-Einweggleichrichtung Drehstrom-Brückengleichrichtung Gleichrichterschaltungen mit Ladekondensator Einweggleichrichter mit Ladekondensator Einweggleichrichter mit Ladekondensator für negative Ausgangsspannung Zweiweggleichrichtung mit Ladekondensator Brückengleichrichtung mit Ladekondensator Brückengleichrichtung mit Ladekondensator und 100-Hz-Zeitbasis Siebschaltungen RC-Siebschaltung LC-Siebschaltung Spannungsvervielfacherschaltungen Delon- oder Greinacherschaltung Villardschaltung Kaskadenschaltung Begrenzerschaltungen Positive Klipperschaltung mit Diode Negative Klipperschaltung mit Diode Bidirektionale Klipperschaltung mit Dioden Positive Klipperschaltung mit Z-Diode Negative Klipperschaltung mit Z-Diode Bidirektionale Klipperschaltung mit Z-Dioden Differenzierglied mit Amplitudenbegrenzung Elektronische Schalterfunktionen mit Dioden Diode als Schalter Diode als Wechselstromschalter Diodenschalter Typ I und II Dioden als Entkopplungselemente Diodendecodierer ODER-Gatter in RDL-Technik UND-Gatter in RDL-Technik Freilaufdiode Spannungsstabilisierung mit Z-Dioden Simulierte Z-Dioden Einfache Spannungsstabilisierung Stabilisierung bei Eingangsschwankungen Verbesserung der Stabilisierungseigenschaften Z-Diode zur Unterdrückung von Brummspannungen Grundlagen und Grundschaltungen des Transistors Aufbau, Herstellung und Bezeichnungen Wirkungsweise des npn-transistors Statische Kennlinienaufnahme eines npn-transistors in Emitterschaltung Dynamische Kennlinienaufnahme eines npn-transistors in Emitterschaltung Untersuchung der Verstärkerwirkung eines npn-transistors Untersuchung der Verstärkerwirkung eines pnp-transistors Emittergrundschaltung eines npn-transistors

10 XII Inhalt Kollektorgrundschaltung eines npn-transistors Basisgrundschaltung eines npn-transistors Verstärkerschaltungen mit Transistor Ruhestromeinstellung für den A-Betrieb Ruhestromeinstellung für den A-Betrieb mittels Spannungsteiler Ruhestromeinstellung und Temperaturstabilisierung mittels Stromgegenkopplung Ruhestromeinstellung für den A-Betrieb mittels Spannungsgegenkopplung Kleinsignalverstärkung Kapazitive Signalkopplung Kapazitive Signalkopplung mit wechselstromgegengekoppelter Transistorstufe Kapazitive Signalkopplung mit spannungsgegengekoppelter Transistorstufe Transistorstufe mit Bootstrapschaltung Zweistufiger Verstärker mit Gleichstromkopplung Zweistufiger Verstärker mit komplementären Transistoren Zweistufiger Verstärker mit kapazitiver Kopplung Zweistufiger Verstärker mit gemeinsamer Arbeitspunktstabilisierung Zweistufiger komplementärer Verstärker mit gemeinsamer Arbeitspunktstabilisierung Zweistufiger Verstärker mit induktiver Kopplung Zweistufiger Verstärker mit Emitterfolger Verstärker in Basisschaltung Transistor als Schalter Statische Schaltstufe mit einem ohmschen Verbraucher Dynamische Schaltstufe mit einem ohmschen Verbraucher Schalten einer ohmschen Last mit Transistor Schalten einer induktiven Last mit Transistor Schalten einer kapazitiven Last mit Transistor Praktische Schaltungstechnik mit Transistoren NF-Verstärker Zweistufiger Vorverstärker Vorverstärker mit Klangregler Rauscharmer NF-Vorverstärker Vorverstärker mit Präsenzfilter Vorverstärker mit Rumpel- und Rauschfilter Leistungsverstärker im A-Betrieb Leistungsverstärker mit Trafo im Eintakt-A-Betrieb Leistungsverstärker mit verbessertem Eintakt-A-Betrieb Gegentaktverstärker mit Trafo im B-Betrieb Komplementärer Leistungsverstärker im B-Betrieb Komplementärer Leistungsverstärker im AB-Betrieb Leistungsverstärker mit Darlingtonstufe im A-Betrieb Leistungsverstärker mit Darlingtonstufe im AB-Betrieb Differenzverstärker Statisches und dynamisches Verhalten Differenzverstärker mit Konstantstromquelle Differenzverstärker als Regeleinheit Stabilisierungsschaltungen für Spannungen und Ströme

11 Inhalt XIII Einfache Serienstabilisierungsschaltung Einstellbares Netzgerät Geregeltes Netzgerät Verbesserte Konstantspannungsquelle Elektronische Netzgeräte mit Darlingtonstufe Elektronische Sicherung Kurzschlußfeste Stabilisierungsschaltung Einstellbares Netzgerät für positive bis negative Spannung Parallelstabilisierung Konstantstromquellen Digitale Transistorschaltungen NICHT-Gatter NAND-Gatter in DTL- und RTL-Technik NOR-Gatter in DTL- und RTL-Technik Äquivalenz-Gatter in RTL-Technik RS-Kippglieder (Flipflops) in RTL-Technik Astabiles Kippglied (Rechteckgenerator) Monostabiles Kippglied Schmitt-Trigger Signalgeneratoren Rechteckgenerator Blinkschaltung Sperrschwinger Impulsgenerator LC-Oszillatoren RC-Phasenschiebergenerator Wien-Brückengenerator Zeitgeberschaltungen Relais mit Anzugsverzögerung Relais mit Abfallverzögerung Relais mit Anzugs- und Abfallverzögerung Periodischer Zeitgeber mit Relais Schaltungen mit Feldeffekttransistoren und MOSFETs Sperrschicht-FET Statische Untersuchung eines n-kanal-fets Dynamische Untersuchung eines n-kanal-fets FET-Verstärker in Sourceschaltung FET-Verstärker in Drainschaltung FET-Verstärker in Gateschaltung Praktische Schaltungstechnik mit Feldeffekttransistoren Konstantstromquelle mit FET FET-Vorverstärker FET-Vorverstärker mit Stromgegenkopplung FET-Vorverstärker mit Konstantstromquelle Zweistufiger FET-Vorverstärker FET-Vorverstärker mit Klangregler Meßvorverstärker Feldeffekttransistor als Analogschalter Differenzverstärker mit Konstantstromquelle

12 XIV Inhalt Differenzverstärker mit Darlington-FET-Eingängen Differenzverstärker in FET-Technologie MOSFET-Transistoren Aufbau und Wirkungsweise Sourceschaltung mit n-kanal-anreicherungstyp Zweistufiger Vorverstärker Drainschaltung mit n-kanal-mosfet-anreicherungstyp Sourceschaltung mit n-kanal-verarmungstyp MOSFET als Analogschalter CMOS-Analogschalter NICHT-Gatter in CMOS-Technik NAND-Gatter in CMOS-Technik NOR-Gatter in CMOS-Technik Sachverzeichnis

13 XV Inhalt - Teil III

14 XVI Inhalt

15 Inhalt XVII

16 XVIII Inhalt

17 Inhalt XIX

18 XX Inhalt - Teil IV 1 Grundlagen der Digitaltechnik Zahlensysteme, die Basis der Computertechnik Duales Zahlensystem Oktales Zahlensystem Sedezimales (hexadezimales) Zahlensystem Aufbau von Zahlensystemen Datenorganisation mit Bits und Bytes BCD-Code Eigenschaften von Codes Prüfbit-Codes Leitungscodes für die serielle Datenübertragung Barcodes Testgeräte der digitalen Schaltungstechnik Bitmustergenerator Digitales Speicheroszilloskop Vertikale und horizontale Auflösung Echtzeit- und Äquivalenzzeit-Abtastung Triggermöglichkeiten Triggermöglichkeiten für digitale Schaltungen Logikanalysator Schaltalgebra Dynamische Untersuchung von Verknüpfungen Gesetze der Schaltalgebra Anwendungen für die Gesetze der Schaltalgebra De Morgansche Gesetze Umwandlung von Logikschaltungen Praktischer Entwurf von digitalen Schaltnetzen Analyse von Schaltnetzen Analyse eines Prüfbitgenerators Schaltung einer Pseudotetradenerkennung für den BCD-Code Karnaugh-Diagramm Karnaugh-Diagramm für zwei Variable Karnaugh-Diagramm für drei Variable Karnaugh-Diagramm für vier Variable Disjunktive Normalform oder Minterme Konjunktive Normalform oder Maxterme Synthese von Schaltnetzen Synthese für eine Steuerungsanlage Pseudotetradenerkennung für den Aiken-Code Pseudotetradenerkennung für den Exzeß-3- oder Stibitz-Code Codierer

19 Inhalt XXI Dezimal-zu-BCD-Codierer Dezimal-zu-Aiken-Codierer Dezimal-zu-Gray-Codierer Decodierer aus-10-Decodierer Segment-Decodierer Umcodierer BCD-zu-Exzeß-3-Umcodierer BCD-zu-Glixon-Umcodierer Aiken-zu-Exzeß-3-Umcodierer Gray-zu-Dual-Umcodierer Elektronische Schalter Digitales Relais Digitaler Richtungsschalter Digitaler Polumschalter Elektronischer Schalter mit Entprellschaltung Elektronischer Schalter mit Speicherverhalten Digitaler Drehschalter (Multiplexer) Digitaler Drehschalter (Demultiplexer) Multiplexsystem für Datenübertragung Digitale Rechenschaltungen Größer-Gleich-Kleiner-Vergleicher Halbaddierer Volladdierer Halbsubtrahierer Vollsubtrahierer Addier-Subtrahier-Schaltung Bit-Volladdierer Korrekturschaltung für Volladdierer Aufbau und Wirkungsweise einer arithmetisch-logischen Einheit (ALU) Statischer Multiplizierer Speicher- und Kippschaltungen Bistabile Kippschaltungen NAND- und NOR-Flipflop NAND- und NOR-Speicherflipflop D-Flipflop JK-Flipflop T-Flipflop Dynamische Flipflops Master-Slave-Flipflop Monostabile Kippschaltungen Monostabile Kippschaltungen mit NAND- und NOR-Gattern Einfache Monoflops mit NAND- und NOR-Gattern Monoflops für extrem kurze Verzögerungszeiten Integriertes Monoflop Integriertes Monoflop Integriertes Monoflop Simulation eines Monoflops

20 XXII Inhalt Verzögerungen von Impulsflanken durch ein Monoflop Impulsverzögerungen durch zwei Monoflops Frequenzvervielfachung durch Monoflops Sequentielle Laufzeitschaltung Rechteckgeneratoren Grundschaltungen eines Rechteckgenerators Rechteckgenerator mit Start-Stopp-Eingang Rechteckgenerator mit Monoflop Rechteckgenerator mit Schmitt-Trigger Rechteckgenerator mit simuliertem CMOS-NICHT-Gatter Quarzstabilisierter Rechteckgenerator Frequenzteiler, Zähler und Schieberegister Frequenzteiler Frequenzteiler 1: Frequenzteiler 1: Frequenzteiler 1: Frequenzteiler 1: Frequenzteiler 1: Frequenzteiler 1: Frequenzteiler 1: Frequenzteiler 1: Frequenzteiler 1: Frequenzteiler 1:10 mit dem Frequenzteiler 1:12 mit dem Frequenzteiler 1:16 mit dem Programmierbarer Frequenzteiler mit dem Frequenzteiler 1: Frequenzteiler 1: Asynchrone Zähler Bit-Vorwärtszähler Bit-Rückwärtszähler Bit-Vorwärts-Rückwärtszähler Asynchroner BCD-Zähler für den Vorwärtsbetrieb Asynchroner BCD-Zähler für den Rückwärtsbetrieb Asynchroner Vorwärtszähler für den Aiken-Code Asynchroner Vorwärtszähler für den Exzeß-3-Code Zähler von 0 bis Zähleinheit bis 11 mit zwei 7-Segment-Anzeigen Zähleinheit bis 23 mit zwei 7-Segment-Anzeigen Zähleinheit bis 59 mit zwei 7-Segment-Anzeigen Uhrenschaltung für Stunden und Minuten Synchrone Zähler Synchroner Vorwärtszähler von 0 bis Synchroner Vorwärtszähler von 0 bis Synchroner Vorwärtszähler für den vierstelligen Dualcode Synchroner Vorwärtszähler für den BCD-Code Synchroner Vorwärtszähler für den Aiken-Code Synchroner Vorwärtszähler für den Exzeß-3-Code

21 Inhalt XXIII Diverse Vorwärtszähler für die synchrone Betriebsart Synchroner Rückwärtszähler für den Dualcode Synchroner Rückwärtszähler für den BCD-Code Programmierbare Zähler Dezimalzähler Vorwärts-Rückwärts-Dezimalzähler Synchrone und teilsynchrone Zählerdekaden Variabler Vorwahlzähler Zähler als digitales Frequenzmeßgerät Zähler als digitales Periodendauermeßgerät Zähler als digitales Zeitmeßgerät Digitaler Drehzahlmesser Schieberegister Schieberegister mit seriellem Ein- und Ausgang Schieberegister mit seriellem Eingang und parallelem Ausgang Schieberegister mit parallelem Eingang und seriellem Ausgang Schieberegister mit parallelem Ein- und Ausgang Schieberegister als Ringzähler nach dem Libaw-Craig-Code Rechts/Links-4-Bit-Schieberegister Bit-Parallel-Seriell-Umsetzer Bit-Seriell-Parallel-Umsetzer Vierphasen-Taktgenerator Zufalls- und Testgeneratoren Funktionsschaltungen in TTL- und CMOS-Technik Arbeitsweise von TTL-Bausteinen Aufbau von TTL-Bausteinen Messungen der Ein- und Ausgänge bei TTL-Bausteinen »fan-in«und»fan-out«von TTL-Bausteinen Ausgang mit offenem Kollektor Wired-AND- und Wired-OR-Schaltungen Tri-State-Ausgänge für Bussysteme Bit-Schnittstelle für einen unidirektionalen Bustreiber Bit-Schnittstelle für einen bidirektionalen Bustreiber UND-ODER-NICHT-Gatter Gatter mit Strobe-Eingang Integrierte Decoder und Multiplexer BCD-zu-Dezimal-Decoder zu-8-Binärdecoder Dezimal-zu-BCD-Prioritäts-Codierer Bit-Binärdecoder Bit-Datenübertragung im Multiplexbetrieb Adressierung einer unidirektionalen Busschnittstelle Adressierung einer bidirektionalen Busschnittstelle Ansteuerung von Anzeigeeinheiten Statischer Anzeigebetrieb Mehrstellige Anzeigeeinheiten Zähler mit Zwischenspeicher und Anzeige Digitale Spielschaltungen

22 XXIV Inhalt Multiplexbetrieb für mehrstellige Anzeigeeinheiten stellige Digitaluhr mit LED-Anzeige /2-stelliges Digitalvoltmeter für LED-und LCD-Einheiten stelliger Vorwahlzähler mit LED-Anzeige Vollintegrierter 8-stelliger Universalzähler Praktische Schaltungstechnik in CMOS-Technik Statische Untersuchung eines CMOS-Schaltkreises Dynamische Untersuchung eines CMOS-Schaltkreises Untersuchung des universellen CMOS-Bausteines Untersuchung des CMOS-Hochstromtyps Untersuchung des CMOS-Analogschalters Operationsverstärker mit digitaler Ansteuerung Digital ansteuerbarer Tief- und Hochpaß Digital ansteuerbares Universalfilter Spannungsdetektor mit Analogschalter Treppenspannungsgenerator als Digital-Analog-Wandler Rechteckgeneratoren mit CMOS-Bausteinen Multiplexsystem für analoge Signale Programme und Hinweise zur CD-ROM Sachverzeichnis Wichtiger Hinweis Die in diesem Buch wiedergegebenen Schaltungen und Verfahren werden ohne Rücksicht auf die Patentlage mitgeteilt. Sie sind ausschliesslich für Amateur- und Lehrzwecke bestimmt und dürfen nicht gewerblich genutzt werden. Bei gewerblicher Nutzung ist vorher die Genehmigung des möglichen Lizenzinhabers einzuholen. Alle Schaltungen und technischen Angaben in diesem Buch wurden vom Autor mit größter Sorgfalt erarbeitet bzw. zusammengestellt und unter Einschaltung wirksamer Kontrollmaßnahmen reproduziert. Trotzdem sind Fehler nicht ganz auszuschließen. Es wird ausdrücklich darauf hingewiesen, dass beim Arbeiten mit Hochspannung äußerste Vorsicht geboten und ein sicherheitsbewusstes Verhalten einzuhalten ist. Der Verlag und der Autor sehen sich deshalb gezwungen, darauf hinzuweisen, dass sie weder eine Garantie noch die juristische Verantwortung oder irgendeine Haftung für Folgen, die auf fehlerhafte Angaben oder unsachgemäße Verhaltensweise zurückgehen, übernehmen können. Für die Mitteilung eventueller Fehler sind Autor und Verlag jederzeit dankbar.

23 Herbert Berstein Handbuch der praktischen Elektronik BAND 2 Das Universalwerkzeug zum praxisnahen Einstieg in die Elektronik per Simulation am PC

24 Bibliografische Information Der Deutschen Bibliothek Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie: detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http//dnb.ddb.de abrufbar 2003 Franzis Verlag GmbH, Poing Alle Rechte vorbehalten, auch die der fotomechanischen Wiedergabe und der Speicherung in elektronischen Medien. Die meisten Produktbezeichnungen von Hard- und Software sowie Firmennamen und Firmenlogos, die in diesem Werk genannt werden, sind in der Regel gleichzeitig auch eingetragene Warenzeichen und sollten als solche betrachtet werden. Der Verlag folgt bei den Produktbezeichnungen im wesentlichen den Schreibweisen der Hersteller. Satz: Photosatz Pfeifer, Gräfelfing Druck: Bercker, Kevelaer Printed in Germany ISBN

25 Teil I Grundlagen der Elektrotechnik und Elektronik 1 Messverfahren in der Elektrotechnik/Elektronik Untersuchung von Stromarten Gleichstrom Spannungssignale Messungen mit dem Voltmeter Messungen mit dem Amperemeter Messungen mit dem Ohmmeter Der einfache Stromkreis Das ohmsche Gesetz Ohmsche Widerstände Leitungswiderstände Temperaturabhängigkeit von Widerständen Stromdichte Reihenschaltung von Widerständen Parallelschaltung von Widerständen Gemischte Widerstandsschaltungen Spannungsteiler Einstellbarer Spannungsteiler Vorwiderstand Der erweiterte Stromkreis Kenngrößen von Spannungsquellen Reihen- und Parallelschaltung von Spannungsquellen Messbereichserweiterung bei Spannungsmessern Messbereichswerterweiterung bei Strommessern Indirekte Messung von Widerständen Messungen an Spannungsteilern Dezibel-Messung Brückenschaltung Praktische Messtechnik mit dem Oszilloskop Messen mit dem Oszilloskop Aufbau eines analogen Oszilloskops Horizontale Zeitablenkung und X-Verstärker Triggerung Y-Eingangskanal mit Verstärker Zweikanaloszilloskop Messungen an Wechselspannungen Einstellungen für das Zweikanaloszilloskop Frequenz und Periodendauer Messen von Spannungen Addition von Wechselspannungen

26 2.2.5 Scheitelfaktor und Formfaktor Messung einer Schwebung Messung einer Amplitudenmodulation Messung einer Frequenzmodulation Frequenz- und Phasenmessungen Lissajous-Figuren zur Frequenzmessung Lissajous-Figuren zur Phasenmessung Aufnahme von Kennlinien Analyseverfahren Konvergenzprobleme und Analysefehler Simulation und Analyse AC-Frequenzanalyse Transientenanalyse Fourier-Analyse Monte-Carlo-Analyse Kondensator Physikalische Grundlagen Elektrische Feldstärke Elektrisches Feld Kondensatoren an Gleichspannung Aufbau von Festkondensatoren Aufbau von Kunststoffkondensatoren Elektrolytkondensatoren Veränderbare Kondensatoren Kapazitäten von Kondensatoren und Leitungen Kondensator an Rechteckspannung Vorgänge am RC-Glied RC-Glied an symmetrischer Rechteckspannung Integrierglied an unsymmetrischer Rechteckspannung Differenzierglied Nadelimpulsgenerator KO-Tastkopf mit frequenzkompensiertem Spannungsteiler Kondensator an Wechselspannung Kapazitätsmessung durch Strom und Spannung Kapazitätsmessung durch Spannungsvergleich Parallelschaltung von Kondensatoren Reihenschaltung von Kondensatoren Kapazitive Blindleistung Wirkleistung und Phasenverschiebung Phasenmessung mittels Lissajous-Figur Reihenschaltung von Kondensator und Widerstand Parallelschaltung von Kondensator und Widerstand Filterschaltungen mit Widerständen und Kondensatoren RC-Tiefpassfilter Untersuchung eines Tiefpassfilters mit Bode-Plotter RC-Hochpassfilter Schaltungen mit Kondensatoren Kondensator als Strombegrenzer Einfache Kapazitätsmessbrücke Wien-Brücke für Kondensatormessungen Maxwell-Brücke für Kondensator- und Spulenmessungen

27 3.5.5 Schering-Brücke für Kondensatormessungen Frequenzunabhängige Maxwell-Brücke Spulen Physikalische Grundlagen Magnetischer Fluss und magnetische Feldstärke Magnetische Feldstärke und magnetische Flussdichte Hysterese Permeabilität Magnetische Kernformgrößen Magnetischer Widerstand Kräfte und Energie im Magnetfeld Aufbau und Wirkungsweise von Spulen Luftspulen Spulen mit magnetisierbarem Kern Blechkerne Ferritkerne Ferritkerne mit und ohne Luftspalt Kerne für Filteranwendungen Spule an Gleichstrom Messung einer idealen Spule Spule an Rechteckspannung Spule im Wechselstromkreis Messung einer idealen Spule Messung einer realen Spule Parallelschaltung von Spulen Reihenschaltung von Spulen Induktive Blindleistung Wirkleistung und Phasenverschiebung Reihenschaltung von Widerstand und Spule Parallelschaltung von Widerstand und Spule Filterschaltungen mit Widerstand und Spule RL-Tiefpassfilter RL-Hochpassfilter Transformatoren und Übertrager Funktionsweise Kleintransformatoren Simulation eines idealen Transformators Berechnung eines Transformators Innenwiderstand eines Transformators Kopplung mit Übertragern und Transformatoren SPICE-Modelle für Induktivitäten Relais und Schalter Aufbau eines Relais Simuliertes Relais Tastaturgesteuerter Schalter Zeitgesteuerter Schalter Spannungsgesteuerter Schalter Stromgesteuerter Schalter Spannungsgesteuerter Analogschalter Sicherheitsrelais Lautsprecher

28 4.8.1 Aufbau eines Lautsprechers Simulation eines Lautsprechers Gleichstrommotor Wirkungsweise eines Gleichstrommotors Elektromotoren und Antriebstechnik Zusammengesetzte Wechselstromkreise Reihen- und Parallelschaltung von Widerstand, Kondensator und Spule Reihenschaltung von R, C und L Simulation einer RCL-Reihenschaltung Parallelschaltung von R, C und L Simulation einer RCL-Parallelschaltung Messung der Leistung im Wechselstromkreis Elektrische Arbeit und Energie Leistungsmessung bei Einphasenwechselstromkreis Kompensationsschaltung für den Einphasenbetrieb Schwingkreise Verluste in Wechselstrom- und Schwingkreisen Simulation eines idealen Reihenschwingkreises Simulation eines idealen Parallelschwingkreises Realer Schwingkreis Güte und Bandbreite Simulation realer Widerstände Simulation eines realen Kondensators Simulation einer realen Spule Bandspreizung Filterschaltungen CL-Bandpass CL-Bandsperre Kritische Bandfilter Einfache LC- und CL-Glieder T- und n-filter m-filter Phasenschieber RC-Tiefpass-Phasenkette RC-Hochpass-Phasenkette RC-Bandpass RC-Bandsperre Phasenschieberbrücke Bandfilter Induktive Kopplung Kapazitive Kopfpunktkopplung Kapazitive Fußpunktkopplung Hinweise zur CD Sachverzeichnis